长三角G60激光联盟导读

本文提出了一种沿飞秒激光诱导的微通道宽度小于100µm的开放超疏水表面水下气体自输运的创新策略。

飞秒激光诱导的分级微/纳米结构促进了聚四氟乙烯（PTFE）表面在空气中的超疏水性和优异的水下超亲热性。将具有超疏水微槽的PTFE表面浸入水中，在PTFE基板和水介质之间产生空心微通道。水下气体可以流过这个通道。当一个微通道连接两个水下气泡时，气体会沿着这个空心微通道自发地从小气泡传输到大气泡。气体自传输可以扩展到与水下操纵气泡相关的更多功能，例如单向气体通道和水/气分离。来源：Jiale Yong等

水中气体的处理和使用在能源利用、化学制造、环境保护、农业育种、微流控芯片和医疗保健方面有着广泛的应用。通过独特的梯度几何形状驱动水下气泡在给定距离上定向和连续移动的可能性已成功存档，为这一激动人心的课题的更多研究打开了空间。然而，在许多情况下，梯度几何形状是微观的，不适合在微观水平上传输气体，因为大多数微尺度梯度结构提供的驱动力不足。这使得气泡和气体在微观水平上的水下自输运成为一大挑战。

在《International Journal of Extreme Manufacturing》上发表的一篇新论文中，由中国西安交通大学电子科学与工程学院Chen教授领导的研究团队，提出了一种沿飞秒激光诱导的微通道宽度小于100µm的开放超疏水表面水下气体自输运的创新策略。在其内壁上具有超疏水和水下超亲水微/纳米结构的微槽不能被水润湿，因此当槽结构表面浸入水中时，在基板和水之间形成中空微通道。气体可以沿水下微通道自由流动；也就是说，这种微通道使气体能够在水中传输。超疏水微槽使气泡和气体在微观水平上的自传输成为可能。

飞秒激光结构聚四氟乙烯表面超疏水性和水下超亲水性的形成机理。

飞秒（10−15秒）激光技术已成为制备这种超疏水微槽的一种有前途的解决方案。飞秒激光器凭借其两个关键特性：极高的峰值强度和超短的脉冲宽度，已成为现代极端和超精密制造的必要工具。飞秒激光加工具有空间分辨率高、热影响区小、非接触制造等特点。特别是，飞秒激光可以烧蚀几乎任何材料，从而在材料表面形成微结构。因此，飞秒激光是在材料表面形成超疏水微结构的可行工具，这对于在微观水平上实现气体自输运至关重要。

通过飞秒激光加工，在固有疏水性的PTFE基底上容易制备出分级微/纳米结构，使PTFE表面具有优异的超疏水性和水下超亲水性。飞秒激光诱导的超疏水和水下超高温微槽对水有很大的排斥作用，并且可以支持水下气体输送，因为PTFE表面和水中的水介质之间形成了一个中空的微通道。水下气体很容易通过这个中空的微通道输送。

通过激光诱导多孔超疏水和水下超亲水PTFE板收集水下气泡。（a）从液体介质中收集气泡的装置和机理示意图。（b）从水中收集气泡的人工装置。

有趣的是，当超疏水微槽连接水中不同的超疏水区域时，气体会自发地从一个小区域转移到一个大区域。独特的激光钻孔工艺还可以将微孔整合到超疏水和水下超高温PTFE板中。

飞秒激光诱导的“Y”形微孔的不对称形态和PTFE板独特的表面超润湿性允许气泡在水中单向通过多孔超润湿PTFE板（从小孔侧到大孔侧）。实现了抗浮单向侵彻；也就是说，气体克服了气泡的浮力，自行向下输送。与二极管类似，超湿润多孔板的单向气体通道功能用于确定气体在操纵水下气体时的传输方向，防止气体回流。

通过激光诱导的多孔超疏水和水下超高温PTFE板去除水流中的气泡。（a）从水管中去除气泡的装置示意图。（b），（c）被移除并释放到外部环境中的选定气泡快照：（b）气泡随着水流向前移动并上升到分支部分，（c）气泡穿透分离片后。

拉普拉斯压差驱动了自发气体输送和单向气泡通道的过程。基于气体的自传输特性，超疏水和水下超亲水多孔板也成功地用于分离水和气体。

陈教授（UPL超快光子实验室主任）和杨副教授对这项技术（水下气体自传输）的研究意义和潜在应用进行了如下认识：

“如何考虑使用超疏水微槽进行气体输送？”

“超疏水微结构具有很强的拒水性，允许材料排斥液体。如果微槽内壁具有超疏水微/纳米结构，则由于槽结构表面浸入水中，微槽不会被水润湿。因此，在基板和水介质之间形成一个中空微通道。该微通道可以实现气体传输使气体能够沿着水下微通道自由流动。飞秒激光可以很容易地制作这种超疏水微槽。激光诱导微槽的宽度决定了空心微通道的宽度，该宽度小于100μm，使我们能够在微观水平上实现气体自输运。”

“为什么使用飞秒激光来制备这样一个用于气体自运输的超疏水微槽？”

“激光是20世纪最伟大的发明之一。近年来，飞秒激光已成为现代极端和超精密制造的必要工具。飞秒激光加工是一种灵活的技术，可以直接在固体基底表面上书写超疏水和水下超亲热微槽，并通过薄膜。此外，在激光加工过程中，控制程序可以精确地设计开放微槽的轨迹和开放微孔的位置。”

“气体的类型是否影响微观水平上气泡和气体的自运输？”

“虽然只研究了普通气泡，但应注意，气体传输的驱动力不涉及气体的化学成分。因此，本文中报告的气体操作适用于其他气体，只要它们没有完全溶解到相应的液体中。”

“基于飞秒激光写入超疏水微槽实现气泡/气体自传输和操纵的技术有哪些潜在应用？”

“我们相信，已报道的沿飞秒激光结构超疏水微通道在水中自传输气体的方法将在能源利用、化学制造、环境保护、农业育种、微流控芯片、医疗保健等领域开辟许多新的应用。”

水下气泡通过制备的多孔超湿润PTFE板的抗浮力单向渗透。（a）移动气泡以接触板材的上表面。多孔板微孔的大口向下。（b-d）气泡从上侧向下侧（沿抗浮力方向）穿透多孔PTFE板的潜在机制。

研究人员还指出，这种基于超疏水微槽的自传输气体策略虽然得到验证，但仍处于初级阶段。各种因素（如微槽的尺寸、通道的长度和气体的体积）对气体输送性能的影响需要进一步研究。基于气体自输运函数的实际应用也需要开发。

来源：Underwater gas self-transportation along femtosecond laser-written open superhydrophobic surface microchannels (<100 µm) for bubble/gas manipulation, International Journal of Extreme Manufacturing (2021). DOI: 10.1088/2631-7990/ac466f

长三角G60激光联盟陈长军原创作品！